DE102019202029B4 - Process for producing a rubber base mixture and its use - Google Patents
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- C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
- C08J2307/00—Characterised by the use of natural rubber
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- C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
- C08J2309/00—Characterised by the use of homopolymers or copolymers of conjugated diene hydrocarbons
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Abstract
Verfahren zur Herstellung einer Kautschukgrundmischung, enthaltend zumindest ein Dienpolymer, zumindest Weichmacheröl und/oder Weichmacherharz und mehr als 80 phr Füllstoff in einem Innenmischer, wobei- eine um Weichmacheröl und/oder Weichmacherharz reduzierte oder von diesen freie und um Füllstoff reduzierte oder von diesem freie Kautschukmischung im Innenmischer erstellt wird,- separat in einer Mischvorrichtung für Fluide zumindest Weichmacheröl und/oder verflüssigtes Weichmacherharz und der restliche Füllstoff zu einem Füllstoff-Weichmacher-Vorprodukt vermischt werden- und im Anschluss dieses Füllstoff-Weichmacher-Vorprodukt in den Innenmischer zu der Kautschukmischung gegeben und eingemischt wird und wobei der restliche Füllstoff Kieselsäure ist und das Verhältnis von Kieselsäure zu Weichmacheröl und/oder verflüssigtem Weichmacherharz beim Vorvermischen 1:0,4 bis 1:3 beträgt.Process for producing a rubber base mixture containing at least one diene polymer, at least plasticizer oil and/or plasticizer resin and more than 80 phr filler in an internal mixer, wherein- a rubber mixture reduced in or free of plasticizer oil and/or plasticizer resin and reduced in or free of filler is produced in the internal mixer,- at least plasticizer oil and/or liquefied plasticizer resin and the remaining filler are mixed separately in a mixing device for fluids to form a filler-plasticizer precursor- and then this filler-plasticizer precursor is added to the rubber mixture in the internal mixer and mixed in, and wherein the remaining filler is silica and the ratio of silica to plasticizer oil and/or liquefied plasticizer resin during premixing is 1:0.4 to 1:3.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Kautschukgrundmischung, enthaltend zumindest Dienpolymere, Weichmacheröl und/oder Weichmacherharz und mehr als 80 phr Füllstoff in einem Innenmischer. Ferner betriff die Erfindung die Verwendung einer solchen Kautschukgrundmischung zur Herstellung von Fahrzeugreifen.The invention relates to a process for producing a rubber base mixture containing at least diene polymers, plasticizer oil and/or plasticizer resin and more than 80 phr of filler in an internal mixer. The invention further relates to the use of such a rubber base mixture for producing vehicle tires.
Kautschukmischungen werden üblicherweise in der Art hergestellt, dass zunächst in ein oder mehreren Mischstufen eine Grundmischung mit allen Bestandteilen (Begleitchemikalien) außer dem Vulkanisationssystem (Schwefel und vulkanisationsbeeinflussende Substanzen) hergestellt wird. Durch Zugabe des Vulkanisationssystems in einer letzten Mischstufe wird die Fertigmischung erzeugt. Die Fertigmischung wird z. B. durch einen Extrusionsvorgang weiterverarbeitet und in die entsprechende Form gebracht. Anschließend erfolgt die Weiterverarbeitung durch Vulkanisation. Für die Herstellung der Kautschukgrundmischungen werden in der Regel Innenmischer (Kneter) eingesetzt.Rubber mixtures are usually produced in such a way that a base mixture with all components (accompanying chemicals) except the vulcanization system (sulfur and substances that affect vulcanization) is first produced in one or more mixing stages. The finished mixture is produced by adding the vulcanization system in a final mixing stage. The finished mixture is further processed, for example, by an extrusion process and brought into the appropriate shape. Further processing then takes place by vulcanization. Internal mixers (kneaders) are generally used to produce the base rubber mixtures.
Ein alternatives Verfahren zur Herstellung einer Kautschukmischung offenbart die
Heutzutage wird eine Vielzahl von Gummimischungen mit einem hohen Anteil an Füllstoffen hergestellt. Die Füllstoffe tragen dabei zum einen zur Verbilligung der Mischungen bei, zum anderen haben sie entscheidenden Einfluss auf unterschiedlichste Materialeigenschaften der Mischung und des resultierenden Vulkanisats. Zu den in Kautschukmischungen einsetzbaren Füllstoffen zählen beispielsweise Ruße, Kieselsäuren, Alumosilicate, Kreide, Stärke, Magnesiumoxid, Titandioxid oder Kautschukgele sowie Kohlenstoffnanoröhrchen, Graphit und Graphene und sogenannte „carbon-silica dualphase filler“.Nowadays, a large number of rubber mixtures are produced with a high proportion of fillers. On the one hand, the fillers help to make the mixtures cheaper, and on the other hand, they have a decisive influence on the various material properties of the mixture and the resulting vulcanizate. The fillers that can be used in rubber mixtures include carbon black, silica, aluminosilicates, chalk, starch, magnesium oxide, titanium dioxide or rubber gels as well as carbon nanotubes, graphite and graphene and so-called "carbon-silica dual-phase fillers".
Um den Rollwiderstand von Fahrzeugluftreifen zu senken, ist es seit langem bekannt, Kieselsäure als Füllstoff, auch in größeren Mengen, für die Kautschukmischung des Laufstreifens zu verwenden.In order to reduce the rolling resistance of pneumatic vehicle tires, it has long been known to use silica as a filler, even in larger quantities, for the rubber compound of the tread.
Wird in Kautschukmischungen der Anteil an Füllstoff erhöht, muss der damit verbundenen Verhärtung des Gummis durch Zudosierung von Weichmacheröl oder Weichmacherharz entgegengewirkt werden, um eine vorgegebene Härte zu erreichen. Als Weichmacheröle sind z. B. aromatische, naphthenische oder paraffinische Mineralölweichmacher, wie z.B. MES (mild extraction solvate) oder RAE (Residual Aromatic Extract) oder TDAE (treated distillate aromatic extract), oder Rubber-to-Liquid-Öle (RTL) oder Biomass-to-Liquid-Öle (BTL) sowie Pflanzenöle, wie Rapsöl, und Flüssig-Polymere einsetzbar.If the proportion of filler is increased in rubber mixtures, the associated hardening of the rubber must be counteracted by adding plasticizer oil or plasticizer resin in order to achieve a specified hardness. Examples of plasticizer oils that can be used are aromatic, naphthenic or paraffinic mineral oil plasticizers, such as MES (mild extraction solvate) or RAE (residual aromatic extract) or TDAE (treated distillate aromatic extract), or rubber-to-liquid oils (RTL) or biomass-to-liquid oils (BTL), as well as vegetable oils such as rapeseed oil and liquid polymers.
Hohe Mengen an Füllstoff sind nur schwer in einem Innenmischer in einem Mischschritt einzuarbeiten. Handelt es sich zudem bei dem Füllstoff um Kieselsäure, werden diesen Grundmischungen häufig Silan-Kupplungsagenzien zur Anbindung der Kieselsäure an die umgebenden Polymere zudosiert. Hier ergibt sich zusätzlich das Problem, dass bei der Reaktion von Kieselsäure mit Silan-Kupplungsagens (Silanisierungsreaktion) Alkohol frei wird, der zu zündfähigen Gemischen im Mischer oder im Mischerschacht führen kann.Large amounts of filler are difficult to incorporate in an internal mixer in one mixing step. If the filler is silica, silane coupling agents are often added to these basic mixtures to bind the silica to the surrounding polymers. This also creates the problem that when silica reacts with the silane coupling agent (silanization reaction), alcohol is released, which can lead to flammable mixtures in the mixer or in the mixer shaft.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Kautschukgrundmischung in bereitzustellen, das die einfache Einbringung hoher Füllstoffmengen erlaubt, ohne die Eigenschaften der Vulkanisate aus der Mischung negativ zu beeinflussen.The invention is based on the object of providing a process for producing a rubber base mixture which allows the simple introduction of large amounts of filler without negatively affecting the properties of the vulcanizates from the mixture.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, dass bei dem Verfahren der eingangs genannten Art
- - eine um Weichmacheröl und/oder Weichmacherharz reduzierte oder von diesen freie und um Füllstoff reduzierte oder von diesem freie Kautschukmischung im Innenmischer erstellt wird,
- - separat in einer Mischvorrichtung für Fluide zumindest Weichmacheröl und/oder verflüssigtes Weichmacherharz und der restliche Füllstoff zu einem Füllstoff-Weichmacher-Vorprodukt vermischt werden
- - und im Anschluss dieses Füllstoff-Weichmacher-Vorprodukt in den Innenmischer zu der Kautschukmischung gegeben und eingemischt wird und
- - wobei der restliche Füllstoff Kieselsäure ist und das Verhältnis von Kieselsäure zu Weichmacheröl und/oder verflüssigtem Weichmacherharz beim Vorvermischen 1:0,4 bis 1:3 beträgt.
- - a rubber mixture reduced in or free of plasticizer oil and/or plasticizer resin and reduced in or free of filler is produced in the internal mixer,
- - at least plasticizer oil and/or liquefied plasticizer resin and the remaining filler are mixed separately in a mixing device for fluids to form a filler-plasticizer precursor
- - and then this filler-plasticizer precursor is added to the rubber mixture in the internal mixer and mixed in and
- - where the remaining filler is silica and the ratio of silica to plasticizer oil and/or liquefied plasticizer resin during premixing is 1:0.4 to 1:3.
Durch die Erstellung eines Füllstoff-Weichmacher-Vorproduktes aus Weichmacheröl und/oder verflüssigtem Weichmacherharz und Füllstoff gelingt es, auch hohe Mengen an Füllstoff gleichmäßig in eine Kautschukmischung einzumischen. Dies gelingt, ohne die Mengen an Weichmacher für die gewünschte Zielhärte einer Mischung zu erhöhen. Die Weichmachermenge in der resultierenden (End-)Grundmischung kann im Vergleich zu einer herkömmlich hergestellten Mischung unverändert bleiben. Die Vulkanisateigenschaften werden dadurch nicht negativ beeinflusst. Zusätzlich bietet das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, dass die im Füllstoff eingeschlossene und damit in die Kautschukmischung eingetragene Luft deutlich reduziert werden kann. Die Menge an freiem, nicht auf Füllstoff befindlichem Weichmacher bzw. nicht benetztem Füllstoff verringert sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren im Vergleich zu einem herkömmlichen Verfahren zur Herstellung einer Grundmischung. Wird der Füllstoff in Granulatform eingesetzt, wird dessen innere Hohlstruktur zu einem großen Anteil mit Weichmacher gefüllt. Für den Fall, dass der Weichmacher schon vorab mit anderen Chemikalien, wie z. B. einem Silan-Kupplungsagens, versetzt wurde, wird auch die innere Oberfläche des Füllstoffes für weitere Chemikalien, wie Silan-Kupplungsagenzien, zugänglich. Dies ermöglicht chemische Reaktionen, wie die Silanisierungsreaktion, in der Vorproduktherstellung durchzuführen.By creating a filler-plasticizer precursor from plasticizer oil and/or liquefied plasticizer resin and filler, it is possible to mix even large amounts of filler evenly into a rubber mixture. This is possible without increasing the amounts of plasticizer for the desired target hardness of a mixture. The amount of plasticizer in the resulting (final) base mixture can remain unchanged compared to a conventionally produced mixture. The vulcanizate properties are not negatively affected by this. In addition, the process according to the invention offers the advantage that the amount of air trapped in the filler and thus introduced into the rubber mixture can be significantly reduced. The amount of free plasticizer not on the filler or unwetted filler is reduced in the process according to the invention compared to a conventional process for producing a base mixture. If the filler is used in granulate form, a large proportion of its internal hollow structure is filled with plasticizer. In the event that the plasticizer has already been mixed with other chemicals, such as e.g. B. a silane coupling agent, the inner surface of the filler also becomes accessible to other chemicals, such as silane coupling agents. This enables chemical reactions, such as the silanization reaction, to be carried out in the precursor production.
Bei der um Füllstoff reduzierten Kautschukmischung im Innenmischer kann die Reduzierung des Füllstoffes bis zur Menge von 0 phr reduziert werden. Vorteilhaft ist es jedoch, wenn im ersten Schritt zumindest 20 phr Füllstoff in die Kautschukmischung im Innenmischer eingemischt werden. Die in dieser Schrift verwendete Angabe phr (parts per hundred parts of rubber by weight) ist dabei die in der Kautschukindustrie übliche Mengenangabe für Mischungsrezepturen. Die Dosierung der Gewichtsteile der einzelnen Substanzen wird dabei stets auf 100 Gewichtsteile der gesamten Masse aller in der Mischung vorhandenen Kautschuke bezogen. Die Masse aller in der Mischung vorhandenen Kautschuke addiert sich zu 100.In the case of the rubber mixture in the internal mixer with reduced filler, the reduction of the filler can be reduced to a quantity of 0 phr. However, it is advantageous if at least 20 phr of filler is mixed into the rubber mixture in the internal mixer in the first step. The phr (parts per hundred parts of rubber by weight) used in this document is the quantity specification for mixture recipes commonly used in the rubber industry. The dosage of the parts by weight of the individual substances is always based on 100 parts by weight of the total mass of all rubbers present in the mixture. The mass of all rubbers present in the mixture adds up to 100.
Bei der Mischvorrichtung für Fluide kann es sich um einfache Rührvorrichtungen handeln, vorzugsweise wird jedoch ein Fluidmischer eingesetzt.The mixing device for fluids can be a simple stirring device, but preferably a fluid mixer is used.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Kautschukgrundmischung enthält zumindest ein Dienpolymer. Es können auch mehrere Dienpolymere im Verschnitt eingesetzt werden. Zu den Dienkautschuken zählen alle Kautschuke mit einer ungesättigten Kohlenstoffkette, die sich zumindest teilweise von konjugierten Dienen ableiten.The rubber base mixture produced by the process according to the invention contains at least one diene polymer. Several diene polymers can also be used in a blend. Diene rubbers include all rubbers with an unsaturated carbon chain that are at least partially derived from conjugated dienes.
Die Kautschukgrundmischung kann als Dienkautschuk Polyisopren (IR, NR) enthalten. Dabei kann es sich sowohl um cis-1,4-Polyisopren als auch um 3,4-Polyisopren handeln. Bevorzugt ist allerdings die Verwendung von cis-1,4-Polyisoprenen mit einem cis-1,4-Anteil > 90 Gew.-%. Zum einen kann solch ein Polyisopren durch stereospezifische Polymerisation in Lösung mit Ziegler-Natta-Katalysatoren oder unter Verwendung von fein verteilten Lithiumalkylen erhalten werden. Zum anderen handelt es sich bei Naturkautschuk (NR) um ein solches cis-1,4 Polyisopren, der cis-1,4-Anteil im Naturkautschuk ist größer 99 Gew.-%. Unter Naturkautschuk (NR) wird dabei ein Kautschuk verstanden, der durch Ernte von Quellen wie Kautschukbäumen (Hevea brasiliensis) oder nicht-Kautschukbaumquellen (wie z. B. Guayule oder Löwenzahn (z. B. Taraxagum koksaghyz)) gewonnen werden kann.The rubber base mixture can contain polyisoprene (IR, NR) as diene rubber. This can be either cis-1,4-polyisoprene or 3,4-polyisoprene. However, the use of cis-1,4-polyisoprenes with a cis-1,4 content of > 90 wt.% is preferred. On the one hand, such a polyisoprene can be obtained by stereospecific polymerization in solution with Ziegler-Natta catalysts or using finely divided lithium alkyls. On the other hand, natural rubber (NR) is such a cis-1,4 polyisoprene, the cis-1,4 content in natural rubber is greater than 99 wt.%. Natural rubber (NR) is understood to mean rubber that can be obtained by harvesting from sources such as rubber trees (Hevea brasiliensis) or non-rubber tree sources (such as guayule or dandelion (e.g. Taraxagum koksaghyz)).
Enthält die Kautschukgrundmischung als Dienkautschuk Polybutadien (BR), kann es sich um cis-1,4-Polybutadien handeln. Bevorzugt ist die Verwendung von cis-1,4-Polybutadien mit einem cis-1,4-Anteil größer 90 Gew.-%, welches z. B. durch Lösungspolymerisation in Anwesenheit von Katalysatoren vom Typ der seltenen Erden hergestellt werden kann.If the rubber base mixture contains polybutadiene (BR) as diene rubber, it can be cis-1,4-polybutadiene. The use of cis-1,4-polybutadiene with a cis-1,4 content of more than 90% by weight is preferred, which can be produced, for example, by solution polymerization in the presence of rare earth catalysts.
Als weitere Dienkautschuke sind Vinyl-Polybutadiene und Styrol-Butadien-Copolymere einsetzbar. Bei den Vinyl-Polybutadienen und Styrol-Butadien-Copolymeren kann es sich um lösungspolymerisierte (Styrol)-Butadien-Copolymere (S-(S)BR) mit einem Styrolgehalt, bezogen auf das Polymer, von ca. 0 bis 45 Gew.-% und einem Vinylgehalt (Gehalt an 1,2-gebundenem Butadien, bezogen auf das gesamte Polymer) von 10 bis 90 Gew.-% handeln, welche zum Beispiel unter Verwendung von Lithiumalkylen in organischem Lösungsmittel hergestellt werden können. Die S-(S)BR können auch gekoppelt und endgruppenmodifiziert sein. Es können aber auch emulsionspolymerisierte Styrol-Butadien-Copolymere (E-SBR) sowie Mischungen aus E-SBR und S-(S)BR eingesetzt werden. Der Styrolgehalt des E-SBR beträgt ca. 15 bis 50 Gew.-% und es können die aus dem Stand der Technik bekannten Typen, die durch Copolymerisation von Styrol und 1,3-Butadien in wässriger Emulsion erhalten wurden, verwendet werden.Other diene rubbers that can be used are vinyl-polybutadienes and styrene-butadiene copolymers. The vinyl-polybutadienes and styrene-butadiene copolymers can be solution-polymerized (styrene)-butadiene copolymers (S-(S)BR) with a styrene content, based on the polymer, of approximately 0 to 45% by weight and a vinyl content (content of 1,2-bonded butadiene, based on the total polymer) of 10 to 90% by weight, which can be produced, for example, using lithium alkyls in an organic solvent. The S-(S)BR can also be coupled and end-group modified. However, emulsion-polymerized styrene-butadiene copolymers (E-SBR) and mixtures of E-SBR and S-(S)BR can also be used. The styrene content of the E-SBR is approximately 15 to 50 wt.% and the types known from the prior art obtained by copolymerization of styrene and 1,3-butadiene in aqueous emulsion can be used.
Die in der Mischung eingesetzten Dienkautschuke, insbesondere die Styrol-Butadien-Copolymere, können auch in teilweiser oder vollständig funktionalisierter Form eingesetzt werden. Die Funktionalisierung kann dabei mit Gruppen erfolgen, die mit den verwendeten Füllstoffen, insbesondere mit OH-Gruppen tragenden Füllstoffen, wechselwirken können. Es kann sich dabei z. B. um Funktionalisierungen mit Hydroxylgruppen und/oder Epoxygruppen und/oder Siloxangruppen und/oder Aminogruppen und/oder Phthalocyaningruppen und/oder Carboxygruppen und/oder Silansulfidgruppen handeln. Die Dienkautschuke können zusätzlich oder alternativ auch gekoppelt sein.The diene rubbers used in the mixture, in particular the styrene-butadiene copolymers, can also be used in partially or fully functionalized form. The functionalization can be carried out with groups that are compatible with the fillers used, in particular with OH groups. fillers. This can be, for example, functionalization with hydroxyl groups and/or epoxy groups and/or siloxane groups and/or amino groups and/or phthalocyanine groups and/or carboxy groups and/or silane sulfide groups. The diene rubbers can also be coupled additionally or alternatively.
Zusätzlich zu den genannten Dienkautschuken kann die Mischung aber auch noch andere Kautschuktypen, wie z. B. Styrol-Isopren-Butadien-Terpolymer, Butylkautschuk, Halobutylkautschuk oder Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM), enthalten.In addition to the diene rubbers mentioned, the mixture can also contain other types of rubber, such as styrene-isoprene-butadiene terpolymer, butyl rubber, halobutyl rubber or ethylene-propylene-diene rubber (EPDM).
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Kautschukgrundmischung enthält Weichmacheröl und/oder Weichmacherharz. Dabei kann es sich um unterschiedliche Typen in unterschiedlichen Mengen handeln. Es können auch mehrere Typen von Weichmacherölen und Weichmacherharzen gleichzeitig vorhanden sein. Als Weichmacheröle sind z. B. aromatische, naphthenische oder paraffinische Mineralölweichmacher, wie z.B. MES (mild extraction solvate) oder RAE (Residual Aromatic Extract) oder TDAE (treated distillate aromatic extract), oder Rubber-to-Liquid-Öle (RTL) oder Biomass-to-Liquid-Öle (BTL) sowie Pflanzenöle, wie Rapsöl, und Flüssig-Polymere einsetzbar. Als Weichmacherharze sind solche einsetzbar, die bis zu einer Temperatur von 140 °C schmelzen und vom Füllstoff in verflüssigter Form aufgenommen werden können.The rubber base mixture produced by the process according to the invention contains plasticizer oil and/or plasticizer resin. These can be different types in different amounts. Several types of plasticizer oils and plasticizer resins can also be present at the same time. Examples of plasticizer oils that can be used are aromatic, naphthenic or paraffinic mineral oil plasticizers, such as MES (mild extraction solvate) or RAE (residual aromatic extract) or TDAE (treated distillate aromatic extract), or rubber-to-liquid oils (RTL) or biomass-to-liquid oils (BTL), as well as vegetable oils such as rapeseed oil and liquid polymers. Plasticizer resins that can be used are those that melt at a temperature of up to 140 °C and can be absorbed by the filler in liquefied form.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden Weichmacheröl und/oder verflüssigtes Weichmacherharz vor der Einbringung in die Mischvorrichtung für Fluide vorgewärmt. Auf diese Weise können diese Substanzen schneller mit dem Füllstoff vermischt werden und in die Poren des Füllstoffes gelangen.According to an advantageous development of the invention, plasticizer oil and/or liquefied plasticizer resin are preheated before being introduced into the mixing device for fluids. In this way, these substances can be mixed more quickly with the filler and reach the pores of the filler.
In der Kautschukgrundmischung sind mehr als 80 phr Füllstoff enthalten. Vorzugsweise enthält die Kautschukgrundmischung 95 bis 250 phr Füllstoff. Das erfindungsgemäße Verfahren hat sich für derart hochgefüllte Kautschukmischungen als besonders vorteilhaft erwiesen.The rubber base mixture contains more than 80 phr of filler. The rubber base mixture preferably contains 95 to 250 phr of filler. The process according to the invention has proven to be particularly advantageous for such highly filled rubber mixtures.
Bei dem Füllstoff kann es sich um unterschiedlichste Materialien handeln, wobei diese einzeln, aber auch als Gemische eingesetzt werden können. Zu den in Kautschukmischungen einsetzbaren Füllstoffen zählen beispielsweise Ruße, Kieselsäuren, Alumosilicate, Kreide, Stärke, Magnesiumoxid, Titandioxid oder Kautschukgele sowie Kohlenstoffnanoröhrchen, Graphit und Graphene und sogenannte „carbon-silica dualphase filler“. So kann die nach dem Verfahren hergestellt Grundmischung z. B. Ruß und Kieselsäure in unterschiedlichen Mengen enthalten. Die Füllstoffe können als unterschiedliche Typen beispielsweise mit unterschiedlichen aktiven Oberflächen eingesetzt werden. Die Füllstoffe können z. B. in Form von Granulat oder Pulver eingesetzt werden.The filler can be a wide variety of materials, which can be used individually or as mixtures. The fillers that can be used in rubber mixtures include carbon black, silica, aluminosilicates, chalk, starch, magnesium oxide, titanium dioxide or rubber gels as well as carbon nanotubes, graphite and graphene and so-called "carbon-silica dual-phase fillers". The base mixture produced using the process can contain carbon black and silica in different quantities. The fillers can be used as different types, for example with different active surfaces. The fillers can be used in the form of granules or powder, for example.
Das Verhältnis von Füllstoff zu Weichmacheröl und/oder verflüssigtem Weichmacherharz beim Vorvermischen wird bevorzugt so eingestellt, dass die Zugabe des Vorproduktes die Härte (Shore A bei Raumtemperatur) der Kautschukgrundmischung, wenn diese ohne das erfindungsgemäße Verfahren mit Zugabe des Füllstoff-Weichmacher-Vorproduktes hergestellt werden würde, um weniger als 5 Härtepunkte verändert. Besonders bevorzugt ist ein Verhältnis von Füllstoff zu Weichmacheröl und/oder verflüssigtem Weichmacherharz, dass die Härte (Shore A bei Raumtemperatur) der Kautschukgrundmischung um weniger als 2 Härtepunkte verändert.The ratio of filler to plasticizer oil and/or liquefied plasticizer resin during premixing is preferably set so that the addition of the precursor changes the hardness (Shore A at room temperature) of the rubber base mixture, if this were produced without the process according to the invention with the addition of the filler-plasticizer precursor, by less than 5 hardness points. A ratio of filler to plasticizer oil and/or liquefied plasticizer resin that changes the hardness (Shore A at room temperature) of the rubber base mixture by less than 2 hardness points is particularly preferred.
Bei Verwendung von perlierten Füllstoffen ist es außerdem von Vorteil, wenn beim Vorvermischen ein Verhältnis von Füllstoff zu Weichmacheröl und/oder verflüssigtem Weichmacherharz eingestellt wird, bei welchem der Perlierungszustand des Füllstoffes erhalten bleibt. Ein derartiges Füllstoff-Weichmacher-Vorprodukt kann leicht mit den für Füllstoffen üblichen Dosiersystemen dosiert und zugegeben werden.When using pearlized fillers, it is also advantageous if a ratio of filler to plasticizer oil and/or liquefied plasticizer resin is set during premixing, in which the pearling state of the filler is maintained. Such a filler-plasticizer precursor can be easily dosed and added using the dosing systems customary for fillers.
Bei dem restlichen Füllstoff, der in einer Mischvorrichtung für Fluide zum Füllstoff-Weichmacher-Vorprodukt gemischt wird, handelt es sich um Kieselsäure. Kieselsäure lässt sich besonders schwierig in großen Mengen in Kautschukmischungen einmischen, ohne dass es zu Problemen beim Mischen kommt.The remaining filler, which is mixed in a fluid mixing device to form the filler-plasticizer precursor, is silica. Silica is particularly difficult to mix in large quantities into rubber compounds without causing mixing problems.
Für eine gute Vermischung von Kieselsäure und Weichmacheröl bzw. verflüssigtem Weichmacherharz und ein problemloses Einmischen des Füllstoff-Weichmacher-Vorproduktes in die restliche Kautschukmischung beträgt das Verhältnis von Kieselsäure zu Weichmacheröl und/oder verflüssigtem Weichmacherharz beim Vorvermischen 1:0,4 bis 1:3.To ensure good mixing of silica and plasticizer oil or liquefied plasticizer resin and problem-free mixing of the filler-plasticizer precursor into the rest of the rubber mixture, the ratio of silica to plasticizer oil and/or liquefied plasticizer resin during premixing is 1:0.4 to 1:3.
Enthält die Kautschukmischung Kieselsäure, können der Mischung zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit und zur Anbindung des polaren Füllstoffes an den Kautschuk Silan-Kupplungsagenzien zugesetzt werden. Die Silan-Kupplungsagenzien reagieren mit den oberflächlichen Silanolgruppen der Kieselsäure oder anderen polaren Gruppen während des Mischens des Kautschuks bzw. der Kautschukmischung (in situ) oder bereits vor der Zugabe des Füllstoffes zum Kautschuk im Sinne einer Vorbehandlung (Vormodifizierung). Als Silan-Kupplungsagenzien können dabei alle dem Fachmann für die Verwendung in Kautschukmischungen bekannten Silan-Kupplungsagenzien verwendet werden. Solche aus dem Stand der Technik bekannten Kupplungsagenzien sind bifunktionelle Organosilane, die am Siliciumatom mindestens eine Alkoxy-, Cycloalkoxy- oder Phenoxygruppe als Abgangsgruppe besitzen und die als andere Funktionalität eine Gruppe aufweisen, die gegebenenfalls nach Spaltung eine chemische Reaktion mit den Doppelbindungen des Polymers eingehen kann. Bei der letztgenannten Gruppe kann es sich z. B. um die folgenden chemischen Gruppen handeln: -SCN, -SH, -NH2 oder -Sx- (mit x = 2-8). So können als Silan-Kupplungsagenzien z. B. 3-Mercaptopropyltriethoxysilan, 3-Thiocyanato-propyltrimethoxysilan oder 3,3'-Bis(triethoxysilylpropyl)polysulfide mit 2 bis 8 Schwefelatomen, wie z. B. 3,3'-Bis(triethoxysilylpropyl)tetrasulfid (TESPT), das entsprechende Disulfid oder auch Gemische aus den Sulfiden mit 1 bis 8 Schwefelatomen mit unterschiedlichen Gehalten an den verschiedenen Sulfiden, verwendet werden. Die Silan-Kupplungsagenzien können dabei auch als Gemisch mit Industrieruß zugesetzt werden, wie z. B. TESPT auf Ruß (Handelsname X50S® der Firma Evonik). Auch geblockte Mercaptosilane, wie sie z. B. aus der
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird bei dem Verfahren bei der Herstellung des Füllstoff-Weichmacher-Vorproduktes aus Weichmacheröl und/oder verflüssigtem Weichmacherharz und Kieselsäure ein Silan-Kupplungsagens zugesetzt. Hierdurch kann in einem vorgeschalteten Schritt schon zumindest eine teilweise Anbindung (Hydrophobisierung) des Silan-Kupplungsagenzes an die Kieselsäure erfolgen. According to an advantageous development of the invention, a silane coupling agent is added in the process during the production of the filler-plasticizer precursor from plasticizer oil and/or liquefied plasticizer resin and silica. This allows at least a partial bonding (hydrophobization) of the silane coupling agent to the silica to take place in a preceding step.
Der bei dieser Reaktion entstehende Alkohol kann dadurch schon vor Einmischung in die restliche Kautschukmischung entweichen und aufgefangen werden und bereitet im Innenmischer oder Mischerschacht keine Probleme mehr durch eventuelle Bildung zündfähiger Gemische.The alcohol produced during this reaction can escape and be collected before it is mixed into the rest of the rubber mixture and no longer causes problems in the internal mixer or mixer shaft due to the possible formation of flammable mixtures.
Um die Hydrophobisierungreaktion zwischen Kieselsäure und Silan-Kupplungsagens möglichst weit zu führen und entstehenden Alkohol vor Einmischung des Füllstoff-Weichmacher-Vorproduktes in die restliche Kautschukmischung möglichst vollständig zu entfernen, ist es bevorzugt, wenn die Herstellung des Füllstoff-Weichmacher-Vorproduktes bei einer Temperatur von mehr als 80 °C, bevorzugt mehr als 120 °C, erfolgt.In order to carry out the hydrophobization reaction between silica and silane coupling agent as far as possible and to remove the resulting alcohol as completely as possible before mixing the filler-plasticizer precursor into the remaining rubber mixture, it is preferred if the filler-plasticizer precursor is produced at a temperature of more than 80 °C, preferably more than 120 °C.
Neben den bereits genannten Substanzen kann die Kautschukgrundmischung weitere, in der Kautschukindustrie übliche Zusatzstoffe in üblichen Gewichtsteilen enthalten. Zu diesen Zusatzstoffen zählen beispielsweise Alterungsschutzmittel, wie z. B. N-Phenyl-N'-(1,3-dimethylbutyl)-p-phenylendiamin (6PPD), N-Isopropyl-N'-phenyl-p-phenylendiamin (IPPD), 2,2,4-Trimethyl-1,2-dihydrochinolin (TMQ) und andere Substanzen, wie sie beispielsweise aus
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Kautschukgrundmischung wird üblicherweise im weiteren Verlauf zu einer Fertigmischung weiterverarbeitet. Zu diesem Zweck werden Vulkanisationschemikalien, wie Schwefel, Schwefelspender oder Peroxide, und vulkanisationsbeeinflussende Substanzen, wie Vulkanisationsbeschleuniger, Vulkanisationsverzögerer und Vulkanisationsaktivatoren, eingemischt.The rubber base mixture produced by the process according to the invention is usually further processed into a finished mixture. For this purpose, vulcanization chemicals such as sulfur, sulfur donors or peroxides and substances that influence vulcanization such as vulcanization accelerators, vulcanization retarders and vulcanization activators are mixed in.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Kautschukgrundmischung kann in unterschiedlichsten Produkten eingesetzt werden. Zu diesen Produkten zählen Gummibälge, Förderbänder, Luftfedern, Gurte, Riemen, Schläuche, Drucktücher, Schwingmetalle oder Schuhsohlen. Vorzugsweise wird die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Kautschukgrundmischung jedoch für die Herstellung von Fahrzeugreifen verwendet, da in Kautschukgrundmischungen für Fahrzeugreifen häufig hohe Mengen an Füllstoff eingemischt werden.The rubber base mixture produced by the process according to the invention can be used in a wide variety of products. These products include rubber bellows, conveyor belts, air springs, belts, straps, hoses, printing blankets, vibration metals or shoe soles. However, the rubber base mixture produced by the process according to the invention is preferably used for the production of of vehicle tires, since large amounts of filler are often mixed into rubber base compounds for vehicle tires.
Die Erfindung soll nun anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den nachstehenden Tabellen näher erläutert werden. Die Vergleichsmischungen sind mit Ref. oder V, die erfindungsgemäß hergestellten Mischungen sind mit E gekennzeichnet. In den Tabellen würde die Shore-A-Härte bei Raumtemperatur mittels Durometer gemäß DIN ISO 7619-1 und die Rückprallelastizität bei Raumtemperatur gemäß DIN 53 512 gemessen. Tabelle 1: Kieselsäure-Mischung mit TESPD
Es wurden vier Kautschukgrundmischungen gemäß der Tabelle 1 in einem Innenmischer erzeugt. Bei der Referenzmischung 1 wurden 120 phr Kieselsäure eingemischt, dies erforderte eine lange Mischzeit mit mehreren Zudosierungen der Kieselsäure, um eine möglichst homogene Verteilung der Kieselsäure in der Mischung zu erzielen.Four rubber base mixtures were produced in an internal mixer according to Table 1. In reference mixture 1, 120 phr of silica was mixed in, which required a long mixing time with several additions of silica in order to achieve the most homogeneous distribution of silica in the mixture.
Bei den Mischungen der Tabelle 1, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gemischt wurden, wurde zunächst ein Füllstoff-Weichmacher-Vorprodukt mit Silan-Kupplungsagens aus 48 Gew.-teilen Weichmacheröl, 48 Gew.-teilen Kieselsäure und 4 Gew.-teilen Silan-Kupplungsagens in einem Fluidmischer erzeugt. Im Anschluss wurde dieses Füllstoff-Weichmacher-Vorprodukt bei der Herstellung der Kautschukgrundmischung zu den anderen Mischungsbestandteilen in den Innenmischer gegeben. Die Mengen an reiner Kieselsäure, Silan-Kupplungsangens und purem Weichmacheröl wurden in der Vorstufe entsprechend reduziert, so dass die resultierenden Kautschukgrundmischungen 95 bzw. 120 phr Kieselsäure enthielten. Diese Kautschukgrundmischungen ließen sich deutlich besser herstellen und verarbeiten als die Referenzmischungen. Die Kieselsäure konnte in kurzer Zeit homogen eingemischt werden.In the mixtures in Table 1, which were mixed according to the process according to the invention, a filler-plasticizer precursor with silane coupling agent was first produced in a fluid mixer from 48 parts by weight of plasticizer oil, 48 parts by weight of silica and 4 parts by weight of silane coupling agent. This filler-plasticizer precursor was then added to the other mixture components in the internal mixer during the production of the rubber base mixture. The amounts of pure silica, silane coupling agent and pure plasticizer oil were reduced accordingly in the precursor stage so that the resulting rubber base mixtures contained 95 and 120 phr of silica, respectively. These rubber base mixtures were significantly easier to produce and process than the reference mixtures. The silica could be mixed in homogeneously in a short time.
Im weiteren Verlauf wurden die Kautschukgrundmischungen zur Fertigmischungen weiterverarbeitet und bei der Herstellung von Fahrzeugluftreifen eingesetzt. Unterschiede in den Vulkanisateigenschaften konnten nicht festgestellt werden. Für die Mischungen E1 und E2 ergab sich trotz unterschiedlicher Mengen an Vorprodukt die gleiche Härte der Vulkanisate. Tabelle 2: Kieselsäure-Mischung mit geblocktem Mercaptosilan
Es wurden vier Kautschukgrundmischungen gemäß der Tabelle 2 in einem Innenmischer erzeugt. Bei der Referenzmischung 3 wurden 120 phr Kieselsäure eingemischt, dies erforderte eine lange Mischzeit mit mehreren Zudosierungen der Kieselsäure, um eine möglichst homogene Verteilung der Kieselsäure in der Mischung zu erzielen.Four rubber base mixtures were produced in an internal mixer according to Table 2. In reference mixture 3, 120 phr of silica was mixed in, which required a long mixing time with several additions of silica in order to achieve the most homogeneous distribution of silica in the mixture.
Bei den Mischungen der Tabelle 2, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gemischt wurden, wurde zunächst ein Füllstoff-Weichmacher-Vorprodukt mit Silan-Kupplungsagens aus 48 Gew.-teilen Weichmacheröl, 48 Gew.-teilen Kieselsäure und 4 Gew.-teilen Silan-Kupplungsagens in einem Fluidmischer erzeugt. Im Anschluss wurde dieses Füllstoff-Weichmacher-Vorprodukt bei der Herstellung der Kautschukgrundmischung zu den anderen Mischungsbestandteilen in den Innenmischer gegeben. Die Mengen an reiner Kieselsäure, Silan-Kupplungsagens und purem Weichmacheröl wurden in der Vorstufe entsprechend reduziert, so dass die resultierenden Kautschukgrundmischungen 95 bzw. 120 phr Kieselsäure enthielten. Diese Kautschukgrundmischungen ließen sich deutlich besser herstellen und verarbeiten als die Referenzmischungen. Die Kieselsäure konnte in kurzer Zeit homogen eingemischt werden.In the mixtures in Table 2, which were mixed according to the process according to the invention, a filler-plasticizer precursor with silane coupling agent was first produced in a fluid mixer from 48 parts by weight of plasticizer oil, 48 parts by weight of silica and 4 parts by weight of silane coupling agent. This filler-plasticizer precursor was then added to the other mixture components in the internal mixer during the production of the rubber base mixture. The amounts of pure silica, silane coupling agent and pure plasticizer oil were reduced accordingly in the precursor stage so that the resulting rubber base mixtures contained 95 and 120 phr of silica, respectively. These rubber base mixtures were significantly easier to produce and process than the reference mixtures. The silica could be mixed in homogeneously in a short time.
Im weiteren Verlauf wurden die Kautschukgrundmischungen zur Fertigmischungen weiterverarbeitet und bei der Herstellung von Fahrzeugluftreifen eingesetzt. Unterschiede in den Vulkanisateigenschaften konnten nicht festgestellt werden. Für die Mischungen E3 und E4 ergab sich trotz unterschiedlicher Mengen an Vorprodukt die gleiche Härte der Vulkanisate. Tabelle 3: Ruß-Mischung
Es wurden vier Kautschukgrundmischungen gemäß der Tabelle 3 in einem Innenmischer erzeugt. Bei der Referenzmischung 5 wurden 120 phr Ruß eingemischt, dies erforderte eine lange Mischzeit mit mehreren Zudosierungen des Rußes, um eine möglichst homogene Verteilung des Rußes in der Mischung zu erzielen.Four rubber base mixtures were produced in an internal mixer according to Table 3. In reference mixture 5, 120 phr of carbon black was mixed in, which required a long mixing time with several additions of the carbon black in order to achieve the most homogeneous distribution of the carbon black in the mixture.
Bei den Mischungen der Tabelle 3, die nach dem einem anderen Verfahren gemischt wurden, wurde zunächst ein Füllstoff-Weichmacher-Vorprodukt aus 45 Gew.-teilen Weichmacheröl und 55 Gew.-teilen Ruß in einem Fluidmischer erzeugt. Im Anschluss wurde dieses Füllstoff-Weichmacher-Vorprodukt bei der Herstellung der Kautschukgrundmischung zu den anderen Mischungsbestandteilen in den Innenmischer gegeben. Die Mengen an Ruß und purem Weichmacheröl wurden in der Vorstufe entsprechend reduziert, so dass die resultierenden Kautschukgrundmischungen 97,5 bzw. 125 phr Ruß enthielten. Diese Kautschukgrundmischungen ließen sich deutlich besser herstellen und verarbeiten als die Referenzmischungen. Der Ruß konnte in kurzer Zeit homogen eingemischt werden.For the mixtures in Table 3, which were mixed using a different method, a filler-plasticizer precursor was first produced from 45 parts by weight of plasticizer oil and 55 parts by weight of carbon black in a fluid mixer. This filler-plasticizer precursor was then added to the other mixture components in the internal mixer during the production of the rubber base mixture. The amounts of carbon black and pure plasticizer oil were reduced accordingly in the precursor stage so that the resulting rubber base mixtures contained 97.5 and 125 phr of carbon black, respectively. These rubber base mixtures were significantly easier to produce and process than the reference mixtures. The carbon black could be mixed in homogeneously in a short time.
Im weiteren Verlauf wurden die Kautschukgrundmischungen zur Fertigmischungen weiterverarbeitet und bei der Herstellung von Fahrzeugluftreifen eingesetzt. Unterschiede in den Vulkanisateigenschaften konnten nicht festgestellt werden. Für die Mischungen V1 und V2 ergab sich trotz unterschiedlicher Mengen an Vorprodukt die gleiche Härte der Vulkanisate.The rubber base mixtures were then further processed into finished mixtures and used in the manufacture of pneumatic vehicle tires. No differences in the vulcanizate properties could be determined. For mixtures V1 and V2, the vulcanizates had the same hardness despite different amounts of precursor.
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